Misura di corrente. Galvanometro di Deprez d'arsonval fornisce indicazione proporzionale alla corrente che lo attraversa. Principio di funzionamento

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1 Misura di corrente Galvanometro di Deprez d'arsonval fornisce indicazione proporzionale alla corrente che lo attraversa Principio di funzionamento Seconda legge di Laplace Legge di Faraday dell'induzione Leggi di Kirchhoff: applicabili purché le variazioni di ε si svolgano in tempi >> rapporto tra le dimensioni del circuito e la velocità della luce

2 Galvanometro

3 Galvanometro B radiale ~10-1 T costante su circonferenza di centro O Al passaggio di una corrente i nella bobina su di essa agisce un sistema di forze il cui momento assiale è dato da Se la bobina è costituita da n spire avremo In condizioni di equilibrio statico avremo con K r costante reometrica (tanto più piccola quanto più sensibile il galvanometro minimo 10-6 A/rad)

4 Galvanometro La misura di φ è ottenuta tramite lo specchietto solidale col filo di torsione e utilizzando il sistema della leva ottica Per angoli piccoli con k r nuova costante reometrica ( A/mm) Nel galvanometro da banco disponibile in laboratorio la sensibilità massima è di 100 na / divisione

5 Galvanometro Dinamica Dal punto di vista elettrico il galvanometro è assimilabile ad una resistenza (quella della bobina) e quindi il suo inserimento in un circuito può essere rappresentato come in figura con ε e ρ fem e resistenza equivalenti ottenibili dal teorema di Thévenin per il circuito visto tra i terminali A e B A t=0 viene chiuso il tasto T. Il moto successivo della bobina segue dalla seconda equazione cardinale. Indicando con I il momento di inerzia baricentrico della bobina I momenti di forza assiali agenti sulla bobina sono: - torsione del filo - resistenza viscosa dell'aria - campo magnetico B nel traferro - variazione di flusso di B tagliato dalle bobine Si ottiene quindi

6 Galvanometro Dinamica con R = ρ + ρ g Indicando con Si hanno tre diverse soluzioni a seconda che Δ 0

7 Galvanometro Dinamica Caso II: avvicinamento all'asintoto nel più breve tempo possibile R = resistenza critica R c ρ g resistenza critica esterna Valori tipici R c = Ω Caso I: (R < R c) smorzamento elettrodinamico forte assenza di oscillazioni Caso III: (R > R c) periodo di oscillazione 1 10 s

8 OSCILLOSCOPIO L oscilloscopio visualizza l'andamento di un segnale elettrico nel tempo: dato un certo segnale di tensione in ingresso, consente misure qualitative e quantitative di: differenza di potenziale e di intervalli di tempo (es. periodo di oscillazione del segnale in ingresso). 1

9 OSCILLOSCOPIO Questi strumenti di misura elettronici si possono dividere in due gruppi principali: Analogici e Digitali. Gli oscilloscopi analogici lavorano applicando direttamente una tensione da misurare ad un raggio elettronico che si muove sullo schermo. La tensione deflette il raggio in senso verticale, in proporzione alla sua ampiezza, fornendo una rappresentazione immediata della forma d'onda. L'oscilloscopio digitale campiona la forma d'onda e utilizza un convertitore analogico-digitale (CAD) per trasformare la tensione da misurare in informazioni digitali, informazioni che vengono successivamente utilizzate per ricostruire la forma d'onda sullo schermo In laboratorio sono disponibili solo oscilloscopi analogici.

10 OSCILLOSCOPIO ANALOGICO ampolla di vetro sotto vuoto spinto (10 4 Pa)

11 catodo Cannone elettronico schermo Catodo: cilindretto cavo di nickel, coperto esternamente da una vernice (ossido di Bario o Stronzio) in grado di emettere elettroni se riscaldata, al suo interno c è un filamento di tungsteno, alimentato diventa incandescente (1000 C) per effetto Joule. Il cilindretto, riscaldato ( C) indirettamente dal filamento, emette elettroni per effetto termoionico secondo la legge di Dushman-Richardson con I corrente emessa per unità di superficie, T temperatura (K), E W potenziale estrazione (2 ev per BaO), A =10 2 A cm - 2 K -2

12 griglia acceleratrice Estrazione e focalizzazione secondo anodo primo anodo schermo sistema di focalizzazione Sistema di focalizzazione (clindrico): Gli elettroni escono dal catodo con energia cinetica media E = 2kT (= 50 mev) e quelli che attraversano il foro del catodo vengono focalizzati da un sistema di due o tre lenti elettrostatiche, determinando un puntino luminoso sullo schermo fluorescente dove si trova l anodo.

13 Estrazione e focalizzazione Gli elettroni vengono emessi dal catodo caldo formano, in condizione di regime, una nuvola elettronica che insiste sul catodo (equilibrio dinamico). Variando la tensione della griglia di controllo è possibile modificare l intensità del fascio di elettroni estratto. Griglia di controllo V CON <V C Griglia acceleratrice V ACC >V C nuvola elettronica fascio convergente catodo V C fascio divergente

14 Estrazione e focalizzazione Griglia di controllo Griglia acceleratrice Primo anodo Secondo anodo Catodo + V

15 Tensione regolabile per la messa a fuoco del fascio Focalizzazione Il successivo sistema di elettrodi ha la funzione di lente elettrostatica: produce sullo schermo l immagine del crossover (analogia con ottica geometrica). Lo schermo è a grande distanza dal sistema di elettrodi, quindi il pennello elettronico in uscita deve essere collimato; la sua energia è E = (½) m e v e 2 = e V ACC (con V ACC = 2000 V v e = 3 * 10 7 m/s = c/10) V ACC V f < V ACC V ACC traiettoria diverge converge diverge converge

16 Deflessione Placchette di deflessione orizzontale Placchette di deflessione verticale schermo Placchette di deflessione: Due coppie di placchette perpendicolari tra loro. Le placchette verticali servono a deflettere il fascio di elettroni orizzontalmente. Le placchette orizzontali servono a deflettere il fascio di elettroni verticalmente.

17 Deflessione CASO 1: ddp tra le placche nulla Campo elettrico tra le placche nullo Gli elettroni proseguono indisturbati in linea retta E nullo Quando il pennello elettronico arriva sullo schermo, attratto dal potenziale positivo dell anodo, colpisce la superficie interna coperta di sostanze fluorescenti, le quali, emettono luce che appare all esterno del tubo. Se il pennello elettronico è stato ben focalizzato, al centro dello schermo si determina un puntino luminoso, detto spot.

18 Deflessione orizzontale CASO 2: ddp tra le placche non nulla Quando fra le due placche verticali si applica una ddp costante, il fascio elettronico viene deflesso orizzontalmente verso la placca a potenziale più elevato. La deflessione visualizzata sullo schermo è proporzionale alla ddp tra le placche. Nel normale utilizzo, il puntino luminoso si muove verso destra a velocità costante fino a raggiungere l estremo dello schermo. Ritorna poi rapidamente nel punto di partenza e inizia una nuova scansione.

19 Applicando una rampa di tensione (dente di sega) alle placche deflettrici, il punto luminoso farà una scansione ripetuta dello schermo. La velocità con cui si muove il punto luminoso sull asse x è inversamente proporzionale al periodo del segnale di rampa; questo significa che il tempo in cui il punto luminoso percorre l asse x corrisponde al periodo del segnale. V rampa passata 1 passata 2 passata 3 passata 4 t Per questo motivo, l asse x è detto ASSE DEI TEMPI. Per questo asse esiste un selettore che imposta la base temporale ossia quanto tempo vale una divisione dello schermo. Ognuna di queste passate si chiama scansione.

20 Deflessione verticale Alle placche orizzontali viene applicato il segnale V out da studiare.

21 Deflessione verticale Il pennello è attratto dalla placca orizzontale a potenziale positivo e respinto da quella a potenziale negativo e devia dalla traiettoria rettilinea andando verso l alto. v y v f v i v x V l/2 v x d 1 cm l 2 cm In base al II principio della dinamica, la carica subisce un accelerazione data da:

22 Scomponendo la velocità lungo x ed y si ha: Deflessione verticale sostituendo si ha: e quindi v i v f Diretta proporzionalità tra deflessione verticale misurabile sullo schermo e ddp in ingresso allo strumento v x l 2 cm l/2 L 40 cm schermo

23 Deflessione verticale Per visualizzare correttamente il segnale variabile in ingresso occorre che questo non vari sensibilmente nel tempo che l elettrone impiega per attraversare le placche deflettrici (altrimenti viene visualizzata una tensione media). Questo pone un limite alla massima frequenza del segnale visualizzabile dallo strumento: Segnale sinusoidale visualizzato sullo schermo: il puntino luminoso si muove di moto armonico. Questo segnale passa attraverso un amplificatore a guadagno regolabile tramite un apposito selettore che imposta il valore in Y di ogni divisione. 8 V 1 V

24 Deflessioni verticale e orizzontale COMBINAZIONE DEI DUE MOTI Supponiamo che siano attivi: sulle placche verticali il segnale a dente di sega (riferimento temporale) e sulle placche orizzontali un segnale sinuisoidale. Si avrà che il segnale sull oscilloscopio sarà una combinazione di un moto uniforme sull asse x e di un moto armonico (cioè periodico) sull asse y. Questo dovrebbe permette di visualizzare l andamento del segnale in funzione del tempo e di misurarne il periodo. Ma... V t

25 Trigger Inizio della scansione in corrispondenza dell attraversamento di una tensione di soglia impostabile dall utente, grazie ad un comparatore. Soglia La scansione successiva inizia solo quando il segnale attraversa la tensione di soglia.in questa situazione si dice che il trigger è agganciato al segnale, o che il segnale è triggerato e si riesce ad avere una figura stabile sullo schermo

26 display controllo del segnale verticale (input) controllo del segnale orizzontale controllo del trigger controllo del display input esterno trigger esterno

27 Oscilloscopio Digitale Possiede un sistema addizionale di processo dei dati che permette di immagazzinare il segnale in memorie di tipo digitale (RAM). Il segnale in ingresso subisce una conversione analogica/digitale (A/D) tramite una campionamento. La velocità di tale operazione determina la bontà di risoluzione dello strumento. Il segnale viene quindi convertito in una parola binaria e successivamente memorizzato nella memoria RAM. Da questa lo si preleva quando si desidera analizzarlo e lo si invia in un circuito di riconversione digitale/analogico (D/A) e da qui all'asse Y dell'oscilloscopio.

28 Conversione analogico-digitale Motivazione: - determinazione, tramite oscilloscopio, delle forme dei segnali Digitalizzazione dei segnali Ad un segnale analogico S(t) viene associato un vettore S[k] di valori numerici Doppia discretizzazione del segnale: - Temporale la conversione della tensione in un valore numerico viene ripetuta ad una frequenza fissata campionamento a tempi equidistanti Δt = t clk - In ampiezza l'ampiezza del segnale S(t) viene convertita in un codice numerico a B bit Esistono varie tecniche di campionamento che si differenziano per la frequenza e la risoluzione ottenibili (maggiore frequenza, minore risoluzione ovvero minor numero di bit) e per le corrispondenti architetture.

29 CAMPIONAMENTO O SAMPLING Il convertitore analogico-digitale del sistema di acquisizione dati campiona il segnale a intervalli di tempo determinati e converte il segnale in tensione in una serie di valori digitali chiamati punti di campionamento. Un segnale di clock determina quando il convertitore A/D prende un campione. La velocità di questo clock viene chiamata velocità di campionamento e viene indicata in campioni al secondo (ad es. 1 gigasample/s).

30 CAMPIONAMENTO O SAMPLING I valori digitali campionati vengono immagazzinati in una memoria come punti del segnale. L'insieme del numero di punti del segnale costituirà un "pacchetto" che verrà utilizzato per ricostruire il segnale sullo schermo. La sezione di trigger determina l'inizio e la fine del "pacchetto" di punti utilizzati per rappresentare il segnale. La sezione di visualizzazione riceve il "pacchetto" di punti, una traccia immagazzinata nella memoria, per rappresentare il segnale sullo schermo dello strumento. A seconda delle capacità dell'oscilloscopio è possibile sviluppare processi addizionali sui punti campionati. Ad esempio molti oscilloscopi digitali dell'ultima generazione dispongono della funzione di pre-trigger per osservare cosa avviene prima della partenza del sincronismo.

31 Conversione digitale-analogica (visualizzazione sul display) Un esempio di non corretto campionamento del segnale è mostrato nella figura accanto, nella quale è riportato il campionamento a 100 MSamples/s di due segnali sinusoidali a 10 MHz e 90 MHz. Per eliminare questo problema di ambiguità (aliasing) si usa spesso inserire prima del campionatore un filtro anti-aliasing (filtro passa basso con frequenza di taglio superiore pari a f s /2 o inferiore).

32 Conversione digitale-analogica L equazione (1) del teorema di Nyquist-Shannon può essere vista come convoluzione tra il segnale campionato S(k) e la funzione sinc ( kernel di interpolazione ). Nella figura accanto sono mostrati i risultati della ricostruzione del segnale S(t) tramite diverse interpolazioni tra i campioni S[k]

33 Acquisizione e analisi dati in laboratorio Campionamento da un ADC veloce (frequenza di campionamento Gs/s) e memorizzazione in continua su memoria numerica. La presenza di un segnale di trigger produce il trasferimento dei dati in memoria sul display (costituito da circa 2500 punti). Tektronix TBS 1052B # 50 MHz Bandwidth # 2 Channel # Sample Rates to 1 GS/s per Channel # 7 inch WVGA (800 x 400) Color Display # 34 Automatic Measurements # 8-Bit Vertical Resolution La frequenza di campionamento dell ADC si adatta alla base dei tempi impostata. I dati trasferiti dalla memoria possono essere manipolati per eseguire calcoli o trasferiti su una chiavina USB per una successiva analisi.